2025년 노벨 화학상: '퍼즐 장난감'에서 세기의 소재로

2025년 노벨 화학상은 사막에서 물을 포집하고, CO₂를 저장하는 것부터 신체 내 약물을 전달하는 것까지 광범위한 잠재적 응용 분야를 가진 혁신적인 다공성 소재인 금속 유기 골격(MOF) 개발에 선구적인 역할을 한 3명의 과학자에게 수여되었습니다.

10월 8일 스톡홀름 스웨덴 왕립 과학 아카데미에서 열린 발표식에서 2025년 노벨 화학상 수상자로 선정된 과학자 3명이 화면에 표시되어 있다 - 사진: REUTERS

10월 8일 스톡홀름(스웨덴)에서 과학자 3인방인 기타가와 스스무(74세, 교토대, 일본), 리처드 롭슨(88세, 멜버른대, 호주), 오마르 M. 야기(60세, 캘리포니아대 버클리, 미국)가 제117회 노벨 화학상을 수상했습니다.

그들의 업적은 지적 야망, 연구에 대한 끈기, 그리고 국경을 넘는 과학 협력의 힘에 대한 아름다운 이야기를 보여줍니다.

다목적 폼 소재 적용

수상작은 "금속-유기 골격체(MOF) 개발"입니다. 이 구조에서 금속 이온은 탄소 라디칼을 포함하는 긴 유기 분자와 결합된 기반 역할을 합니다. 이러한 조합은 큰 공극을 가진 결정, 즉 독특한 특성을 가진 다공성 물질을 생성합니다.

화학자들은 구성 요소를 조정하여 특정 물질을 포획하고 저장하고, 화학 반응을 촉진하거나 전기를 전도하는 MOF를 설계할 수 있습니다.

노벨 화학상 위원회 위원장인 하이너 링케는 시상식에서 "금속-유기 골격은 엄청난 잠재력을 가지고 있으며, 많은 새로운 기능을 갖춘 맞춤형 소재를 만드는 데 전례 없는 기회를 열어줍니다."라고 말했습니다.

세 명의 과학자의 선구적인 발견을 바탕으로 연구자들은 수만 가지의 다양한 유형의 MOF를 개발하여 과학과 기술에 셀 수 없이 많은 방향을 열었습니다.

이 이야기는 1989년, 멜버른 대학(호주)의 리처드 롭슨 교수가 화학 구조를 만드는 새로운 방법을 개발하려고 시도했을 때부터 시작됩니다.

그는 양전하를 띤 구리 이온을 네 개의 팔을 가진 분자와 결합시켰는데, 이 분자의 각 팔 끝에는 구리 이온을 끌어당기는 화학 작용기가 있었습니다. 그 결과, 마치 수많은 구멍이 있는 다이아몬드처럼 질서 정연하고 열린 공간 구조를 가진 결정이 탄생했습니다.

롭슨과 그의 동료들은 이후 "막대-노드" 원리를 개발하여 속이 빈 배위 네트워크를 형성함으로써 원하는 형태의 금속-유기 골격을 설계할 수 있는 길을 열었습니다. 그러나 초기 구조는 불안정하고 붕괴되기 쉬웠는데, 이는 초기 단계에서 가장 큰 장애물이었습니다.

한 번의 획기적인 발전으로 세 대륙을 아우르다

그러나 스스무 키타가와와 오마르 야기라는 두 과학자가 이 방법에 탄탄한 토대를 마련했습니다. 1992년부터 2003년까지 그들은 일련의 혁신적인 발견을 이루었습니다.

교토 대학(일본)의 기타가와 교수는 1997년 이전까지 널리 퍼져 있던, 내부에 아무것도 없으면 속이 빈 유기 결정이 붕괴된다는 통념을 뒤집었습니다.

그는 다공성이면서도 견고한 유기-금속 하이브리드를 만드는 것이 가능하며, 이러한 구조 사이로 기체가 드나들 수 있음을 증명했습니다. 그는 또한 "호흡 MOF(breathing MOFs)"라는 용어를 만들어냈는데, 이는 MOF가 흡착하는 분자에 반응하여 팽창하고 수축하는 능력을 묘사하는 것으로, 마치 사람의 폐와 매우 유사합니다.

젊은 대학원생이자 미래의 교수였던 야기는 재료화학이 왜 "흔들어서 굽는" 것에만 국한되는지 의아해했습니다. 거기서 그는 분자 블록을 퍼즐처럼 "꿰매어" 설계에 따라 결정 격자를 만드는 아이디어를 떠올렸습니다.

이러한 생각은 "망상 화학"의 기반이 되었고, 이 새로운 물질에 MOF라는 이름을 붙인 것도 바로 그가었습니다. 그는 또한 이론적 설계를 개발하고, 넓은 표면적과 높은 안정성을 갖춘 고전적인 물질인 MOF-5를 만들어냈습니다.

실험실에서 잠 못 이루는 밤, 깨진 결정, 그리고 수많은 실패 끝에 롭슨 씨는 MOF의 기초를 마련했습니다. 키타가와 씨는 유연한 다공성을 입증했고, 야기 씨는 과학계가 제조 및 생명 분야로 응용 분야를 확장할 수 있도록 방법과 언어를 체계화했습니다.

이 세 명의 화학 거물은 3개 대륙에서 각자 따로 활동했지만, 수십 년 동안 동료이자 절친한 친구로 지내왔으며, 1989년부터 서로의 연구 혁신을 보완해왔습니다.

노벨 화학 위원회 위원인 올로프 람스트룀은 이번 발견을 해리포터 책에 나오는 "헤르미온느 그레인저의 마법 가방"에 비유했습니다. 겉은 작지만 그 안에 온 세상을 담을 수 있을 만큼 큰 가방이죠.

그 초창기와 수십 년간의 연구는 오늘날 권위 있는 노벨상을 수상하는 결과를 낳았습니다. MOF의 이야기는 이제 막 시작일 뿐입니다.

(a) MOF 형성 과정; (b) MOF에 대한 가스 또는 기타 물질의 흡착 과정 - 데이터: SPRINGER; 데이터: TV

실험실에서 생활로

MOF는 현재 생산 및 일상생활에서 널리 사용되고 있습니다. 노벨 위원회가 언급한 용도 외에도, 이 물질은 이산화탄소 배출을 저장하여 유용한 유기물로 전환하고, 체내에서 약물을 방출하고, 화학 반응을 촉진하며, 심지어 에틸렌을 가두어 과일의 숙성 과정을 늦출 수도 있습니다.

이러한 사례는 MOF가 기초 연구를 위한 "훌륭한" 다공성 재료일 뿐만 아니라 에너지, 환경, 생물의학을 위한 중요한 기술 플랫폼이 되어 삶의 질을 향상시키는 데 기여한다는 것을 보여줍니다.

베트남에서는 대학과 과학 연구소의 많은 연구팀이 MOF를 촉매, 기체 저장 및 약물 방출에 적용하고 있습니다. 이는 베트남 과학자들이 첨단 기술 동향을 따라가고 있음을 보여줍니다.

향후 몇 년 안에 MOF는 준산업적 공정에 도입되어 물 수확 장비, CO₂ 포집, 흡착 컬럼 및 미세 여과 멤브레인에 통합될 것입니다.

향후 5~10년 안에 MOF가 안전한 수소 저장, 선택적 분자 분리, 고감도 환경 감지 및 친환경 화학 촉매를 위해 수요에 맞춰 설계될 수 있을 것으로 예상됩니다. 이를 통해 에너지 비용과 배출량을 줄이고 차세대 프레임워크 소재 시장이 열릴 것입니다.

인공지능의 급속한 발전으로 인해 AI가 다른 많은 분야에서 높은 응용 가치를 지닌 MOF의 생성을 촉진하는 것도 불가능하지 않습니다.

오마르 야기 교수와 VNU-HCM에서의 그의 업적

야기 교수가 2010년 VNU-HCM 캠퍼스를 방문했습니다. - 사진: DPCC

30년의 설립과 발전 과정에서 VNU-HCM은 항상 많은 국제 전문가와 과학자로부터 귀중한 동반자를 받았습니다. 이들은 경영, 연구, 혁신 분야에서 훌륭한 교훈을 전해 준 진지하고 헌신적인 친구들입니다.

특히, 금속 유기 골격(MOF) 분야에서 세계를 선도하는 과학자인 오마르 M. 야기 교수(캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스 - UCB)는 VNU-HCM에 깊은 영향을 미쳤습니다.

엄격하지만 고무적인 업무 스타일로 교수님은 많은 구체적인 성과를 달성하는 데 도움을 주실 뿐만 아니라, 학교의 인식과 과학 연구 문화를 재편하는 데에도 기여하고 있습니다.

협력 과정을 통해 VNU-HCM은 귀중한 교훈을 얻었습니다. 규율과 열정: 과학적 작업에는 진지함, 강렬한 열정, 표준 실험실 규율이 필요합니다. 뛰어난 품질 : 모든 연구는 국제 표준을 충족해야 하며, 가장 권위 있는 저널에만 게재되어야 합니다. 재능과 대우: 과학자들은 주요 자문위원, 적절한 연구 조건, "시장 가치"에 걸맞은 제도의 지원을 받아야 합니다. 적용성: 기초 연구라 하더라도 여전히 자금을 지원하고 유치할 수 있는 능력을 목표로 해야 합니다. 야기 교수가 VNU-HCM에서 직접 한 일입니다. 인간성과 엄격성: 전문 지식은 엄격하지만 친절하고 친밀하며 항상 공유할 준비가 되어 있어야 합니다.

2022년 오마르 M. 야기 교수는 VinFuture Prize를 수상했지만, 더 큰 의미는 그가 남긴 가치입니다. 젊은 과학자 세대를 양성하고, 우수 센터(CoE)를 구축하고, 전문 연구 정신과 지식에 대한 헌신을 확산하는 데 기여했습니다.

부교수, 박사 PHAN THANH BINH (전 VNU-HCM 이사)

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부교수 Nguyen Thanh Vinh 박사 - Lyly Nguyen

출처: https://tuoitre.vn/nobel-hoa-hoc-2025-tu-do-choi-xep-hinh-den-vat-lieu-the-ky-20251008222351112.htm